Geleneksel elektronik sistemlerin hız ve boyut sınırlarına ulaşmasıyla birlikte, bilim dünyası bilgiyi iletmek için elektronlar yerine ışığı (fotonları) kullanmaya odaklandı. Fotonların kütlesiz olması ve ışık hızında hareket etmesi, cihazların hem daha hızlı hem de daha verimli olmasını sağlıyor. Ancak ışığın dalga boyu özelliği, kontrol yapılarını belirli bir boyutun altına indirmeyi zorlaştırıyordu.
SAÇ TELİNDEN 1000 KAT İNCE
Kızılötesi ışığın dalga boyu bir mikrometreyi aşarken, araştırmacılar bu ışığı 40 nanometrelik, yani insan saçından bin kat daha ince bir katmanda hapsetmeyi başardı. ‘Alt dalga boyu ızgarası’ olarak tasarlanan bu yapı, ışıkla adeta bir prizma gibi etkileşime girerek mükemmel bir ayna görevi görüyor ve ışığı çok dar bir hacme hapsediyor.
MoSe2 İLE IŞIK 4,5 KAT YAVAŞLIYOR
Bu buluşun temelinde, diğer malzemelere göre çok daha yüksek bir kırılma indisine sahip olan molibden diselenit (MoSe2) yatıyor. Işığın farklı ortamlardaki yavaşlama oranları, bu yeni teknolojinin neden devrim niteliğinde olduğunu kanıtlıyor: Işık camın içinde yaklaşık 1,5 kat yavaşlarken; fotonikte sıkça kullanılan silikon veya galyum arsenit gibi materyallerde bu oran 3,5 kata çıkıyor. Ancak molibden diselenit, ışığı tam 4,5 kat yavaşlatarak muazzam bir kontrol sağlıyor.
Önceki nesil ızgaraların ışığı hapsedebilmesi için yüzlerce nanometre kalınlığa ihtiyacı varken, MoSe2 materyalinin bu benzersiz yavaşlatma gücü sayesinde aynı işlev sadece 40 nanometrelik bir katmanda gerçekleştirilebiliyor. Bu güçlü yavaşlama etkisi, yapının ışığı verimli bir şekilde kontrol ederken radikal şekilde küçülmesine olanak tanıyor.
1500 KAT GÜÇLÜ DÖNÜŞÜM
MoSe2 sadece ışığı hapsetmekle kalmıyor, aynı zamanda ‘doğrusal olmayan optik’ davranışlar sergiliyor. ‘Üçüncü harmonik üretimi’ adı verilen süreçle, üç kızılötesi foton birleşerek tek bir mavi fotona dönüşebiliyor. Yeni geliştirilen ızgara yapısı sayesinde bu enerji dönüşümü, malzemenin düz bir katmanına kıyasla tam 1500 kat daha güçlü bir verimlilikle gerçekleşiyor. Bu durum, kızılötesi sensörlerin ve optik dönüştürücülerin hassasiyetinde yeni bir çağı müjdeliyor.
SERİ ÜRETİM İÇİN ‘MBE’ ANAHTARI
Çalışmanın ticari açıdan en önemli yönü ise üretim metodunda yatıyor. Daha önce ‘yapışkan bantla soyma’ (eksfoliasyon) gibi seri üretime uygun olmayan ve sadece mikroskobik alanlarda sonuç veren yöntemlerle üretilen ince katmanlar, bu projede Moleküler Işın Epitaksisi (MBE) yöntemiyle üretildi. Bu sayede, sadece 40 nanometre kalınlığında ancak inç karelerce büyüklükte, homojen ve endüstriyel standartlarda filmler elde edilebiliyor.
Bu ölçeklenebilir üretim yöntemi, fotonik entegre devrelerin (PIC) laboratuvarlardan çıkıp gerçek dünya uygulamalarına, veri merkezlerine ve yeni nesil süper bilgisayarlara girmesinin önündeki ‘boyut ve homojenlik’ engelini kaldırıyor. Işığı manipüle etmek için artık kalın ve hantal yapılara ihtiyaç kalmadı; gelecek artık atomik düzeyde ince katmanların üzerinde yükseliyor.
